基于USB摄像头的简易光谱仪研究

基于USB摄像头的简易光谱仪研究目录1引言…………………11.1简易光谱仪的研究背景和意义………………21.2光谱仪的国内外研究现状……21.2.1光谱仪的国内研究现状………………21.2.2光谱仪的国外研究现状……………31.3简易光谱仪的研究内容和方法………………31.3.1简易光谱仪研究内容…………………31.3.2简易光谱仪研究方法…………………42简易光谱仪的理论分析……………42.1光栅光谱仪的理论分析………42.2简易光谱仪的改装部分及原理………………52.2.1用CD光盘替代光栅……52.2.1使用USB摄像头替代常规光谱检测器…63基于USB摄像头的简易光谱仪的制作过程………73.1简易光谱仪的组成……………73.2简易光谱仪结构设计…………73.3简易光谱仪的制作…………93.4光谱仪软件介绍……………104简易光谱仪的应用……………104.1简易光谱仪的校准…………104.2与实验室专业光谱仪的对比………………114.3常见光谱采集………………124.4简易光谱仪在塞曼效应实验中的教学意义………………145总结………………16参考文献…………16致谢摘要：本研究旨在探讨基于USB摄像头的简易光谱仪的设计、制作及应用。随着科技的发展，传统光谱仪的高成本和复杂性限制了其在教育和小型实验室中的应用。基于此，本研究提出了一种利用USB摄像头构建简易光谱仪的方案，旨在降低成本、简化操作流程，并拓展其在科学教育和实验室研究中的应用。本研究利用研制的光谱仪进行了常见光源的光谱采集，数据与专业光谱仪采集数据基本一致，以确认其可靠性。基于USB摄像头的简易光谱仪不仅具有科学研究意义，还具备了广阔的应用前景，可推动光谱分析技术的普及和发展。关键词:USB摄像头；光谱仪；简易1引言光谱仪作为一种广泛应用于科学研究和工业应用的仪器，对于分析物质的光谱特性具有重要意义。然而，传统的光谱仪往往昂贵且复杂，限制了其在一些教育、科普和实验室环境中的应用。因此，研究和开发简易光谱仪具有重要的意义，可推动科学教育普及，为各个领域的科研提供更灵活的工具。1.1简易光谱仪的研究背景和意义传统的光谱仪通常昂贵且复杂，限制了其在一些实验室和研究环境中的应用。一些研究实验室可能受制于预算限制，难以购置昂贵的专业光谱仪。简易光谱仪的研究在一定程度上解决了这一问题，为那些有限预算的实验室提供了一种经济实惠的选择。研究简易光谱仪有助于降低实验成本，提高实验设备的可访问性，使更多科研工作者能够进行光谱分析。简易光谱仪的研究同样出现在对科学教育改进的需求下，通过提供低成本、易制作的工具，帮助学生更好地理解光谱学的基本原理，使得光谱学的基本概念能够更广泛地传播。通过学生亲自制作和使用简易光谱仪，可以增强他们对光学、物理等学科的理解。同时，公众对科学的兴趣不断增长，而传统的科学仪器对一般公众来说通常不够友好。简易光谱仪的设计使得一般公众能够参与到科学研究和实验中，让更多人可以亲自体验光谱分析。随着开源硬件和科学教育的兴起，越来越多的研究者和爱好者开始关注简易光谱仪的设计与制造。这种趋势受到了开源社区的支持，各种开源项目如PublicLab和ThereminoSpectrometer涌现，鼓励人们通过自主研究和制作实现光谱分析的目的。开源硬件运动强调共享和开放的理念，鼓励人们共同参与硬件设计、制造和改进。在这个背景下，研究者开始利用开源硬件和软件，推动简易光谱仪的设计和制造，以实现科学仪器的普及。在一些资源匮乏的地区，传统的实验设备不易获取，而简易光谱仪的低成本特性使得它成为科研和教学的良好选择，推动科学在全球范围内的普及。1.2光谱仪的国内外研究现状1.2.1光栅光谱仪的国内研究进展在申佳琪，杨照清，傅伟等人撰写的“高分辨率旋转光栅光谱仪的设计”中，研究人员采用了旋转光栅的设计，以提高光AOTF谱仪的分辨率。通过旋转光栅，可以调节光栅的入射角度，从而调整光栅的作用效果，提高光谱分辨率[1]。在张磊、李博、顾国超等人撰写的“与中阶梯光栅结合的小型化超光谱分辨率成像光谱仪”中，关注了声光可调滤波器对光谱仪设计的助益。超光谱成像技术结合了光谱和空间信息，可以获取每个像素点的光谱信息，对于许多应用如农业、环境监测和医学诊断等都具有重要意义。然而，传统的超光谱成像仪器通常较大且成本高昂，限制了其在某些场景下的应用。因此，该文旨在设计一种小型化的超光谱分辨率成像光谱仪，结合了AOTF和中阶梯光栅技术。AOTF是一种通过声波控制光的频率的光学元件，可以实现实时、高速的光谱切换，而中阶梯光栅则可以提高光谱的分辨率[2]。通过将AOTF和中阶梯光栅结合，研究人员设计了一种小型化的超光谱成像仪器，具有较高的分辨率和灵活性。在谈晗芝、杨照清、杨洁、方晨霆和郭汉明撰写的“低波数高分辨率微型光栅光谱仪的设计”一文中，作者旨在实现在波数较低范围内（通常是红外光谱区域）的高分辨率光谱分析，这种光谱仪可能具有微型化的特点，适用于一些对仪器体积和重量要求较高的场合，比如便携式光谱仪或者嵌入式光谱传感器。研究人员通过优化光栅的设计和制造工艺，结合微型化的光路布局和高分辨率的光学成像技术，来实现低波数范围内的高分辨率光谱分析。他们考虑了到光栅的刻线密度、光学材料的选择、光路中的光学元件布局等因素，以最大程度地提高光谱仪的性能和灵敏度[3]。1.2.2光栅光谱仪的国外研究进展在DimitarPopmintchev等人撰写的“Highlyefficientandaberration-freeoff-planegratingspectrometerandmonochromatorforEUV-softX-rayapplications”（用于EUV软X射线应用的高效无像差离面光栅光谱仪和单色仪）中，作者展示了一种新颖的平场、双光学成像EUV-软X射线光谱仪和单色器，其设计实现了超过60%的前传效率，并且在不使用可变线间距光栅的情况下实现了λ/Δλ> 200的超强光谱分辨率。利用圆锥形衍射几何的优势，全局优化了多维参数空间中的光学系统，以确保在广泛的光谱范围内实现最佳成像性能，同时保持第一、第二和第三衍射阶的圆形和椭圆形偏振态。此外，该光谱仪可以轻松转换为一个单色器，可以利用高度单色的光在广泛的光谱范围内进行相干衍射成像应用，并扩展到软X射线区域，减少了光子损失，从而实现了复杂纳米和生物系统的最先进成像，其空间时间分辨率显著提高，可达纳米-飞秒级水平[4]。在AliciaMAnderson、DavidANaylor等人撰写的“Developmentandvalidationofacryogenicfar-infrareddiffractiongratingspectrometerusedtopost-dispersetheoutputfromaFouriertransformspectrometer”（用于后分散傅里叶变换光谱仪输出的低温远红外衍射光栅光谱仪的研制与验证）一文中，讨论了一种在低温（4K）下运行的衍射光栅光谱仪的研制，其工作波长范围为285至500微米，并用于后分散来自室温极化FTS的输出[5]。1.3简易光谱仪的研究内容和方法1.3.1简易光谱仪的研究内容首先，需要选择适合的光学元件，包括光源、外壳、光电探测器、光栅或棱镜等，这些元件的选择将直接影响光谱仪的性能。并且需要了解不同的光谱测量技术。随后进行光路设计与模拟，优化光学系统的结构参数，以提高光谱仪的分辨率、灵敏度和稳定性，同时进行整体框架设计与制作。在研制过程中，需要对光谱仪的性能进行测试与验证，例如狭缝的最适宽度、遮光孔的位置与大小、光栅的最佳角度，包括波长精度方面的测试，以确保其符合设计要求。此外，还可以开展针对特定应用场景的应用案例研究，验证光谱仪在实际应用中的可行性和有效性。1.3.2简易光谱仪的研究方法在简易光谱仪的研究中，主要用到以下研究方法：文献研究法。查阅文献了解光谱仪研究的最新进展以及原理和思路。描述性研究法。在对已有的现象、规律和理论通过自己的理解和验证，给予叙述并解释出来的过程中，摸清自己的理论盲区，建立自己研究与设计的思路。实验法。有了研究与设计的思路以后，在不断的实验中发现问题、反思、总结、改进，以达到理想的实验结果。2理论分析2.1光栅光谱仪理论光谱仪是一种用于分析光的仪器，可以将光按照波长分解，组成的不同波长的光谱。光谱仪的原理基于光的色散性质和波长与频率之间的关系。光谱仪广泛用于化学分析、物质成分检测、天文学研究等领域[6]。不同类型的光谱仪采用不同的色散元件和检测器。通常的光栅光谱仪由入射狭缝、色散元件、光谱检测器构成。光谱仪通常使用白炽灯、氙灯或激光器等作为入射光源。入射光需要经过一个入射狭缝，以确保只有来自所需样品的光能够进入光谱仪。通过狭缝后，入射光会再通过一个色散元件，例如光栅或棱镜，它们利用不同波长的光在色散元件上的不同折射或反射将光按不同波长分解组成光谱。分散后的光谱进入光谱检测器，例如光电二极管（Photodiode）或光电倍增管（PhotomultiplierTube）。这些检测器可以测量光的强度，并将其转换为电信号。电信号经过信号处理系统，可以进行放大、滤波和数字化等处理，以获取精确的光谱信息[7]。最后，通过计算机或其他数据处理设备，对采集到的光谱数据进行分析和解释，得出样品的化学或物理信息。2.2简易光谱仪原理2.2.1用DVD光盘代替光栅光栅是能使入射光的振幅或位相,或者两者同时产生周期性空间调制的光学元件，用于分散入射光并产生光谱，它通常由一系列平行的凹槽或凸起组成，这些凹槽或凸起被等距地排列在透明或反射性的表面上。这些凹槽或凸起的间隔和形状决定了光栅的特性。当入射光穿过光栅时，由于不同波长的光在光栅上的衍射效应不同，光栅将入射光分散成不同的波长，形成光谱。这个过程被称为光栅的色散作用。不同波长的光发生衍射的角度是不同的，这被称为衍射角。衍射角与波长之间的关系由衍射方程描述：mλ=图1光入射到反射光栅上发生的衍射其中，m是衍射阶次，表示衍射的次数，λ是入射光的波长，d是光栅的刻线间距（凹槽或凸起的间隔），θi是入射角，θd是衍射角。对于给定间距d光谱仪的色分辨本领是指光谱仪分辨两条波长差很小的谱线的能力，是光谱仪的一个重要指标。例如有两条波长分别为λ和λ+Δλ的谱线，如果它们由于色散所分开的距离正好使一条谱线的强度极大值和另一条谱线极大值边上的极小值重合，那么根据瑞利判据，这两条谱线刚好可以分辨[8]图2光栅的分辨极限这时的波长差ΔλΑ=λ/Δλ=mN（2上式表明，光栅的色分辨本领正比于光谱级次m和光栅线数N，与光栅常数d无关。通常光栅所使用的光谱级虽不大（m=1或2），但光栅线数N是一个很大的数目，因此光栅具有很高的分辨本领。DVD光盘的表面具有微小的凹槽结构，这些凹槽通常是用激光刻录技术在光盘表面上制作的，用于读取音频或数据，这些凹槽的间距在光学上具有一定的周期性，类似于光栅的结构，可以起到光栅的作用。当入射光照射到光盘表面时，会因为凹槽的周期性结构而发生衍射现象，将入射光分散成不同波长的光束。DVD光盘通常采用螺旋式刻线的结构，刻线密度是用线密度来描述的，单位是每毫米刻线数（linespermillimeter，LPM）。在一张标准的DVD光盘上，螺旋线密度通常在1000到1500LPM之间，这意味着在每毫米的距离上，光盘上有1000到1500条刻线，相当于一个色分辨本领很高的衍射光栅，故本实验使用DVD光盘作为衍射光栅。2.2.2用摄像头代替常规光谱检测器USB摄像头通常包含一种感光元件，如CCD（电荷耦合器件）或CMOS（互补金属氧化物半导体）芯片[9]。当光通过光栅分散后，USB摄像头捕捉整个光谱区域的图像。摄像头的感光元件会记录不同波长的光强度，并将其转换为图像上的亮度或色彩。通过连接USB摄像头的计算机，我们可以使用图像处理软件来分析捕捉到的光谱图像。光电二极管阵列（CCD阵列）和电荷耦合器件（CMOS）都是用于光学和图像传感的半导体设备，但它们在工作原理和结构上有一些区别。CCD阵列使用电荷传输的方式来捕捉光信号，它通常具有单一的输出节点，通过串行传输电荷，这使得CCD阵列在低光水平下表现优异，有较高的灵敏度和低噪声水平。CMOS图像传感器使用每个像素内部的独立电荷耦合放大器来直接测量光信号。每个像素都包含一个光电二极管和相关的放大器电路，可以并行处理，将产生的电荷转换为电压信号[10]。这意味着CMOS传感器可以同时读取多个像素的信息，而不需要像CCD那样串行传输，在高速图像捕捉和视频应用中表现良好。实际上，因为CMOS具有低成本、低功耗、高集成度和制造灵活性等优势，很多USB摄像头采用了CMOS传感器[11]。将CMOS感光元件放置在光栅后方，用于捕捉分散后的光，每个像素记录光的强度，形成一幅光谱图像。光谱图像由CMOS感光元件捕获后，可以通过图像处理软件进行进一步处理。软件可以识别不同波长处的光强度，并将其转换为光谱分布图。3基于USB摄像头的简易光谱仪制作3.1简易光谱仪组成简易光谱仪由入射狭缝、遮光孔、DVD光盘碎片、USB摄像头以及外壳组成。3.2光谱仪结构设计首先，需要选择一种低成本、易获得、可塑、有支撑性并且不透光的外壳材料，这里我们选用黑色硬纸板（其他颜色纸板内部涂黑亦可）。然后使用一个废弃光盘，用透明胶将其包装、反射涂层去除，作为透射光栅。最后挑选一个USB摄像头，需要注意的是部分摄像头含有红外滤光片，故无法使用其观测红外光谱，所以需要选取不带红外滤光片的USB摄像头。在框架的基础上，要先绘出光路图，通过实验和计算得出入射狭缝的合适宽度以及入射光路、光栅和入射USB摄像头的最佳角度。这里我们得出，入射狭缝约在2-3mm，将DVD碎片（透射光栅）紧贴摄像头，光栅平面与入射光呈15°图3光路设计图最后，通过实验得出，在入射狭缝和光栅之间最好添加一个遮光孔，以达到控制进入摄像头的光强，滤除掉一部分衍射光的目的。通过试验得到遮光孔大小在10mm左右，放在整体光路约1/3处最为合适。图4简易光谱仪立体结构图综上所述，即可绘出简易光谱仪结构图。其中遮光孔和固定USB摄像头的底座由于尺寸较为严格，选用3D打印制作。将DVD碎片和摄像头固定需要选用黑色的环氧树脂胶，以保证不会影响到光谱。外壳固定材料只要不透光均可。图53D打印遮光孔图6摄像头图片3.3光谱仪的制作首先，将一个废弃光盘折碎，选取一个略大于摄像头的碎片，用透明胶将其包装、反射涂层去除，使用环氧树脂胶粘在摄像头上。硬纸板内侧涂黑，在一端使用美工刀开出宽约为2mm，长约为10mm的狭缝，在另一侧纸板边缘开出一个方便USB摄像头电线穿过的小孔。将开有狭缝的硬纸板、遮光孔、USB摄像头和另一侧纸板根据设计好的距离和角度使用固体热熔胶粘在底板上，注意每一部分都要与底板垂直。然后粘上其余的外壳。由于热熔胶会透入一定的光，使用纯黑色胶带将外壳所有缝隙二次粘贴。3.4光谱仪软件介绍ThereminoSpectrometer是一款由意大利开发的光谱仪系统，是Theremino团队的一部分，该团队专注于开源硬件和软件的开发。他们致力于创建各种类型的仪器，包括光谱仪，以推动科学实验和教育。该软件通过连接光谱仪，可以实时捕获光谱图像，识别不同波长处的光强度，并将其转换为光谱分布图。图7光谱仪软件介绍4使用简易光谱仪对常见光源进行光谱采集4.1简易光谱仪的校准在使用光谱仪前，需要先使用荧光灯对光谱仪进行校准。本实验使用的校准光源为汞灯，故特征谱线为436nm和546nm。打开校准光源，软件选择：菜单栏Tools——Trimpoints——Fluorescent436546，这时候会看到光谱区域出现436nm和546nm两条参考线。鼠标左键按住546nm这条参考线，移动到最强的那个峰值，使那个峰值的读数为546nm然后再移动436nm这条参考线到从左往右数第三条峰值（一条峰值是365nm左右，强度很低，第二条峰值是405nm或404nm，强度比第一条高很多，第三条峰值才是需要对齐的峰值，强度跟第二条峰值差不多），即完成了校准。图8荧光灯校准光谱4.2与实验室专业光谱仪的对比为确保简易光谱仪的精度、准确性、分辨率等性能，我们把它与实验室用光谱仪进行对比，使用氢灯作为光源。图9实验室用光谱仪内部结构图10使用实验室光谱仪测量氢灯光谱可以明显看出，使用实验室光谱仪测量得出氢灯具有485.88nm和655.38nm两条特征谱线。图11使用简易光谱仪测量氢灯光谱使用简易光谱仪测量得出氢灯特征谱线约为487nm和654nm，与实验室光谱仪误差在2nm以内，误差较小，满足教学和日常使用要求。4.3常见光谱采集图12红色激光笔光谱红色激光器测到的光谱中心波长是655nm，谱宽很窄，符合激光光谱特性。图13空调遥控器发出的红外线光谱红外遥控器的发射谱中心波长是932nm，是可见光之外的近红外光，因此使用遥控器时，人眼看不出其在发光。图14普通手电筒光谱普通手电在蓝光处有较明显峰值，这说明该白光手电是采用蓝光LED激发荧光粉产生的近似全光谱。4.4简易光谱仪在塞曼效应实验中的教学意义1896年，荷兰著名的实验物理学家塞曼（Zeeman）在洛仑兹学说的影响下，使用比法拉第所做实验中更强的磁场，结果发现钠双线D1和D2都有增宽的现象。后来使用罗兰光栅光谱仪观察钠火焰发出的光谱线，发现每一条变宽的D线实际上都是由多条单独的谱线组成，这一现象称为塞曼效应[12]。由于研究这个效应，塞曼和洛仑兹在1902年共同获得诺贝尔物理学奖。塞曼效应是研究原子结构最有效的方法之一，并在现代激光技术中有着重要的作用。在大学近代物理实验课程中，塞曼效应也是尤为重要的，它同时涉猎到了物理光学和原子物理知识，并且考验和锻炼了实验动手能力。图15塞曼效应实验仪器塞曼分裂的波长差是很小的，因此需要高分辨率的分光仪器，实验中一般采用法布里－珀罗标准具（即F-P标准具）来分光，它的理论分辨率可以达到105-107。本实验采用干涉滤光片把汞灯中的546.1nm光谱线选出，在磁场中进行分裂，用F-P标准具分光后，用读数显微镜观察并测量分裂圆的直径，然后计算出电子荷质比。在近代物理实验教材及讲义中，一般着重讲解实验的理论原理、法布里－珀罗标准具的构造以及实验步骤，对于实验的设计过程和实验中每一个器件的作用，学生通常理解的不够深刻，也没有机会直观的认识。这时，我们可以运用简易光谱仪让学生更好的理解实验设计。以塞曼效应实验中的滤光片为例，它的作用是过滤掉其它强度较大的波长的光谱线，只留下546.1nm的光谱线用来观察。图16塞曼效应实验简图为了让学生直观感受滤光片的作用，我们可以将简易光谱仪分别放置在滤光片前、后观察，即图中的偏振片与滤光片之间和滤光片与F-P标准具之间。图17将简易光谱仪放置在偏振片与滤光片之间时的光谱图18将简易光谱仪放置在滤光片与F-P标准具之间时的光谱可以明显看出，光束在通过滤光片后，在可见光波段只有546.1nm处的光谱线留下了，故塞曼效应最后观察的是546.1nm处的分裂光谱。从这次试验可以看出，简易光谱仪因其便携、操作简单、易于理解的特点，可以灵活、广泛的运用在教学当中，帮助学生加深理解，激发了学生学习的兴趣，也为学生发散思维、自主探索提供了合适的工具。5总结随着科技的不断进步，光谱分析技术在科学研究、工程应用以及日常生活中扮演着愈发重要的角色。然而，传统光谱仪的高成本和复杂性限制了其在教育和小型实验室中的应用。为了解决这一问题，本文探讨了基于USB摄像头的简易光谱仪的设计、制作及应用，旨在降低成本、简化操作流程，并拓展其在科学教育和实验室研究中的应用前景。通过简化光谱仪的设计和制作流程，以及利用廉价的USB摄像头作为光谱检测器，可以大幅降低成本并提高可操作性。我们对光栅光谱仪的原理进行了探讨，并介绍了基于USB摄像头的简易光谱仪的改装部分及原理。通过用DVD光盘替代传统的光栅结构，并使用USB摄像头替代常规光谱检测器，我们可以实现光谱仪的简化和成本的降低，同时确保光谱检测的准确性和可靠性。本实验详细描述了基于USB摄像头的简易光谱仪的制作步骤和组成结构。我们使用制作的简易光谱仪对常见光源进行了光谱采集实验，并与专业光谱仪进行了对比。实验结果表明，基于USB摄像头的简易光谱仪可以获得与专业光谱仪相媲美的光谱数据，验证了其可靠性和准确性。综上所述，基于USB摄像头的简易光谱仪具有低成本、易制作、操作简单、方便理解等优点，在教育领域和科普领域都有着良好的实用意义和发展前景。通过降低成本、简化操作流程，这种简易光谱仪可以在教育、科研和工程应用中发挥重要作用，推动光谱分析技术的普及和发展。参考文献[1]申佳琪,杨照清,傅伟,等.高分辨率旋转光栅光谱仪的设计[J/OL].光学仪器,1-8[2024-03-29]./kcms/detail/31.1504.TH.20240102.0841.002.html.[